汽車輕量化是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)之一，也是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。然而，業(yè)界呼吁了多年的汽車輕量化，尤其是輕量化材料的應(yīng)用，到底難在哪兒?
輕量化設(shè)計(jì)基本過關(guān)
據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2017年末，中國民用汽車保有量為2.09億輛，是1978年的154倍。隨之而來的能源消耗量也在不斷增長。據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)估測(cè)，汽車整車重量若減少10%，就能節(jié)油6%-8%，油耗降低每百公里0.3升-0.6升，氧化碳排放降低5克-8克。據(jù)《中國汽車安全發(fā)展報(bào)告(2017)》顯示，到2020年，中國商用車自重若能比2007年的水平平均降低20%-35%，則每年可節(jié)油2500萬-3000萬噸。從上述數(shù)據(jù)來看，節(jié)油降耗是汽車輕量化最主要的目的。
“汽車輕量化技術(shù)主要涉及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用先進(jìn)材料、工藝三方面。”清華大學(xué)汽車工程系周青教授這樣告訴記者。由于輕量化是國內(nèi)汽車自主設(shè)計(jì)的一部分，國內(nèi)汽車輕量化現(xiàn)狀與國內(nèi)汽車設(shè)計(jì)現(xiàn)狀同步。過去十幾年，中國的汽車市場(chǎng)發(fā)展很快，汽車產(chǎn)量名列前茅。近四五年來，我國自主技術(shù)和自主品牌取得了很大進(jìn)步。相對(duì)來說，國內(nèi)廠商如上汽、吉利、長城、廣汽、長安等在車身技術(shù)方面，已經(jīng)能夠自主設(shè)計(jì)。
汽車技術(shù)分為車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)三大部分。它們都涉及輕量化的問題，而我們通常所說的輕量化主要針對(duì)的是車身。總體來說，與10年前相比，中國基本上解決了車身包括與之相關(guān)的輕量化的設(shè)計(jì)問題，但并未達(dá)到國際先進(jìn)水平。
成本是最大阻力
2016年10月26日，中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，其中包括了汽車輕量化技術(shù)路線圖，并指出高強(qiáng)鋼、第三代汽車鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)等是重點(diǎn)發(fā)展的材料和技術(shù)。鎂合金、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)更是遠(yuǎn)期發(fā)展的重點(diǎn)材料技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)中，它們也是熱門的輕量化材料。
高級(jí)跑車、賽車率先使用碳纖維復(fù)合材料，使得車身更加輕盈，但成本也十分高昂。在商用車中，寶馬i8率先試水，車身采用碳纖維復(fù)合材料。國內(nèi)奇瑞汽車開發(fā)出一款碳纖維電動(dòng)汽車，采用碳纖維材料后的車身僅重218公斤，比金屬車身的418公斤減重48%。北京汽車、上海汽車公司也在典型部件上采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用。
不過，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，業(yè)界出現(xiàn)了兩種涇渭分明的觀點(diǎn)。
“在汽車輕量化解決方案中，碳纖維復(fù)合材料是一個(gè)重要選擇方向和解決方案。”香港科技大學(xué)霍英東研究院先進(jìn)材料研發(fā)部總監(jiān)呂冬告訴記者，其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手包括輕質(zhì)類金屬，如鎂合金、鋁合金的解決方案。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是比強(qiáng)度和比鋼度都比這些材料高。
“我不看好碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化的前景，尤其是做車身材料。成本是最大的阻礙。”廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司技術(shù)總監(jiān)范欣愉這樣告訴記者。
汽車廠商采購的某種材料的動(dòng)力和意愿是它能否降低整車成本。一位不愿透露姓名的業(yè)內(nèi)人告訴記者，很多人都盯著車身的輕量化，但是一輛整車鋼結(jié)構(gòu)件的總成本不過數(shù)千元。其他材料若想替換低成本的鋼結(jié)構(gòu)材料非常困難。
其實(shí)，越來越多的汽車內(nèi)部件，如門板、隔板、后備箱的組件等都采用了碳纖維復(fù)合材料。呂冬指出，制造效率、成本和損壞后維修難是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車上的幾大障礙。“一般來說，碳纖維復(fù)合材料的成本比金屬材料高出2倍-3倍以上，當(dāng)然還取決于復(fù)合材料的用量。而且，汽車一旦被撞擊，碳纖維復(fù)合材料要整體換掉，不像其他金屬材料，通過敲打還可以恢復(fù)原形。這可能也是寶馬i系列車又將碳纖維復(fù)合材料換回輕質(zhì)金屬材料的原因之一。”
面臨更多挑戰(zhàn)
在新材料的應(yīng)用上，我國與國外處于同一起跑線上。從更先進(jìn)的材料來看，如熱成形鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料，國外在研究和應(yīng)用上比我們?cè)?0年左右。
“新材料的應(yīng)用要經(jīng)歷一個(gè)漫長的過程。大家別總盯著車身輕量化，還有很多內(nèi)飾、座椅，包括發(fā)動(dòng)機(jī)周邊各種零部件的輕量化都有一定的市場(chǎng)空間。”范欣愉如是建議。
《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出，到2025年，碳纖維使用量占車重2%，成本比2020年降低50%(2020年碳纖維成本比2015年降低50%)。碳纖維的成本降低50%是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。因?yàn)槲覈莆盏奶祭w維制造技術(shù)仍不完善。日本碳纖維的成本比國內(nèi)更低。這是碳纖維原絲制備技術(shù)經(jīng)過幾十年迭代，才能不斷地降低成本。未來我國在碳纖維原絲制備技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)等方面仍需繼續(xù)突破，以更高水平制造碳纖維的同時(shí)，降低能耗和廢品率。只有碳纖維的成本不斷降低，碳纖維復(fù)合材料的使用率才會(huì)提高。
此外，我們還可以從碰撞的角度來思考碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化的應(yīng)用前景。周青認(rèn)為，新材料和新工藝(熱成形鋼、黏接)的另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是如何讓它們的力學(xué)性能表征更精細(xì)，仿真數(shù)據(jù)如何更精確，從而使計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果更加可靠。在碰撞載荷下，我們需要獲取大變形力學(xué)性能、斷裂性能等的表征數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的獲取不能僅憑實(shí)驗(yàn)，而且在CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)時(shí)，必須輸入準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而這本身就是一項(xiàng)較大的挑戰(zhàn)。
舉例來說，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，碳纖維的裂紋是無窮多條的，最終會(huì)碎成粉末。碳纖維復(fù)合材料碰撞變形的吸能模式，是通過自身撞得粉碎來吸收能量，這與鋼、鋁、鎂等材料通過結(jié)構(gòu)大變形吸收能量截然不同。從這點(diǎn)來看，碳纖維復(fù)合材料幾乎可以用于車上所有的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗话l(fā)生大變形時(shí)靠自身的鋼度、大變形時(shí)靠斷裂，當(dāng)然它最大缺點(diǎn)就是成本高。
碳纖維復(fù)合材料的最大挑戰(zhàn)是斷裂表征和預(yù)測(cè)仿真。這是一個(gè)更值得深入的學(xué)術(shù)挑戰(zhàn)。如果在學(xué)術(shù)上無法取得突破，一線工程師只能更多地依賴實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)部件驗(yàn)證，也影響了它的開發(fā)效率。而學(xué)術(shù)研究可以幫助工程師減少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)，從而提高開發(fā)效率。
在輕量化趨勢(shì)中，碳纖維復(fù)合材料可以與金屬材料進(jìn)行一定的復(fù)合。一方面，可以保證材料的強(qiáng)度，并達(dá)到減重的效果，另一方面，可減少碳纖維復(fù)合材料的成本。然而，這個(gè)方向也頗具挑戰(zhàn)性，需要精細(xì)地了解它的設(shè)計(jì)和對(duì)結(jié)構(gòu)變形和承載情況，以及在工藝上需要發(fā)展更多的方法，把兩種不同的材料連接起來。比如，黏接工藝可以把金屬和非金屬材料連接起來。這是一種新技術(shù)，在汽車上已經(jīng)開始應(yīng)用，但并不普遍。
鎂合金應(yīng)因需施材
“由于中國鎂的儲(chǔ)量多，我們更關(guān)注鎂在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。”周青說。
但目前來看，我國汽車采用鎂合金與國際先進(jìn)水平存在很大差距。《中國汽車安全發(fā)展報(bào)告(2017)》指出，北美地區(qū)每輛汽車的鎂合金用量平均為3.5kg，歐洲先進(jìn)水平則能達(dá)到14kg，而國產(chǎn)汽車每輛車的用量僅為1.5kg。
在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的汽車輕量化路線圖中提出到2020年，單車用鎂量達(dá)到15kg。從此目標(biāo)來看，鎂合金的應(yīng)用還有很大空間。
由于鎂合金材料較脆，最大的挑戰(zhàn)仍是斷裂。它在碰撞載荷下會(huì)發(fā)生大變形。周青教授在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鎂合金比鋁合金、高強(qiáng)鋼脆，但沒有碳纖維復(fù)合材料脆。他認(rèn)為，由于鎂合金的這一特性，它不太適合用于大變形的結(jié)構(gòu)，如保險(xiǎn)杠、門檻梁、B柱等。若用鎂合金做車身的承載結(jié)構(gòu)，特別是外部承載結(jié)構(gòu)，它直接接觸碰撞后，會(huì)帶來我們很多的麻煩。
然而，鎂合金可以用于方向盤、座椅骨架、儀表盤的支撐結(jié)構(gòu)等，這些部件在碰撞的時(shí)候，不需要承受大變形的壓力，因而鎂合金在上述部件的應(yīng)用潛力很大。周青認(rèn)為，車輪輪轂可以更多地采用鋁合金，而鎂合金在車輪輪轂的應(yīng)用挑戰(zhàn)較大。這帶給我們的啟示是，把材料的不同特性用在不同部件上，每種材料都能在汽車領(lǐng)域找到合適的應(yīng)用機(jī)會(huì)。
輕量化設(shè)計(jì)基本過關(guān)
據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2017年末，中國民用汽車保有量為2.09億輛，是1978年的154倍。隨之而來的能源消耗量也在不斷增長。據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)估測(cè)，汽車整車重量若減少10%，就能節(jié)油6%-8%，油耗降低每百公里0.3升-0.6升，氧化碳排放降低5克-8克。據(jù)《中國汽車安全發(fā)展報(bào)告(2017)》顯示，到2020年，中國商用車自重若能比2007年的水平平均降低20%-35%，則每年可節(jié)油2500萬-3000萬噸。從上述數(shù)據(jù)來看，節(jié)油降耗是汽車輕量化最主要的目的。
“汽車輕量化技術(shù)主要涉及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用先進(jìn)材料、工藝三方面。”清華大學(xué)汽車工程系周青教授這樣告訴記者。由于輕量化是國內(nèi)汽車自主設(shè)計(jì)的一部分，國內(nèi)汽車輕量化現(xiàn)狀與國內(nèi)汽車設(shè)計(jì)現(xiàn)狀同步。過去十幾年，中國的汽車市場(chǎng)發(fā)展很快，汽車產(chǎn)量名列前茅。近四五年來，我國自主技術(shù)和自主品牌取得了很大進(jìn)步。相對(duì)來說，國內(nèi)廠商如上汽、吉利、長城、廣汽、長安等在車身技術(shù)方面，已經(jīng)能夠自主設(shè)計(jì)。
汽車技術(shù)分為車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)三大部分。它們都涉及輕量化的問題，而我們通常所說的輕量化主要針對(duì)的是車身。總體來說，與10年前相比，中國基本上解決了車身包括與之相關(guān)的輕量化的設(shè)計(jì)問題，但并未達(dá)到國際先進(jìn)水平。
成本是最大阻力
2016年10月26日，中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，其中包括了汽車輕量化技術(shù)路線圖，并指出高強(qiáng)鋼、第三代汽車鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)等是重點(diǎn)發(fā)展的材料和技術(shù)。鎂合金、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)更是遠(yuǎn)期發(fā)展的重點(diǎn)材料技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)中，它們也是熱門的輕量化材料。
高級(jí)跑車、賽車率先使用碳纖維復(fù)合材料，使得車身更加輕盈，但成本也十分高昂。在商用車中，寶馬i8率先試水，車身采用碳纖維復(fù)合材料。國內(nèi)奇瑞汽車開發(fā)出一款碳纖維電動(dòng)汽車，采用碳纖維材料后的車身僅重218公斤，比金屬車身的418公斤減重48%。北京汽車、上海汽車公司也在典型部件上采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用。
不過，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，業(yè)界出現(xiàn)了兩種涇渭分明的觀點(diǎn)。
“在汽車輕量化解決方案中，碳纖維復(fù)合材料是一個(gè)重要選擇方向和解決方案。”香港科技大學(xué)霍英東研究院先進(jìn)材料研發(fā)部總監(jiān)呂冬告訴記者，其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手包括輕質(zhì)類金屬，如鎂合金、鋁合金的解決方案。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是比強(qiáng)度和比鋼度都比這些材料高。
“我不看好碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化的前景，尤其是做車身材料。成本是最大的阻礙。”廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司技術(shù)總監(jiān)范欣愉這樣告訴記者。
汽車廠商采購的某種材料的動(dòng)力和意愿是它能否降低整車成本。一位不愿透露姓名的業(yè)內(nèi)人告訴記者，很多人都盯著車身的輕量化，但是一輛整車鋼結(jié)構(gòu)件的總成本不過數(shù)千元。其他材料若想替換低成本的鋼結(jié)構(gòu)材料非常困難。
其實(shí)，越來越多的汽車內(nèi)部件，如門板、隔板、后備箱的組件等都采用了碳纖維復(fù)合材料。呂冬指出，制造效率、成本和損壞后維修難是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車上的幾大障礙。“一般來說，碳纖維復(fù)合材料的成本比金屬材料高出2倍-3倍以上，當(dāng)然還取決于復(fù)合材料的用量。而且，汽車一旦被撞擊，碳纖維復(fù)合材料要整體換掉，不像其他金屬材料，通過敲打還可以恢復(fù)原形。這可能也是寶馬i系列車又將碳纖維復(fù)合材料換回輕質(zhì)金屬材料的原因之一。”
面臨更多挑戰(zhàn)
在新材料的應(yīng)用上，我國與國外處于同一起跑線上。從更先進(jìn)的材料來看，如熱成形鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料，國外在研究和應(yīng)用上比我們?cè)?0年左右。
“新材料的應(yīng)用要經(jīng)歷一個(gè)漫長的過程。大家別總盯著車身輕量化，還有很多內(nèi)飾、座椅，包括發(fā)動(dòng)機(jī)周邊各種零部件的輕量化都有一定的市場(chǎng)空間。”范欣愉如是建議。
《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出，到2025年，碳纖維使用量占車重2%，成本比2020年降低50%(2020年碳纖維成本比2015年降低50%)。碳纖維的成本降低50%是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。因?yàn)槲覈莆盏奶祭w維制造技術(shù)仍不完善。日本碳纖維的成本比國內(nèi)更低。這是碳纖維原絲制備技術(shù)經(jīng)過幾十年迭代，才能不斷地降低成本。未來我國在碳纖維原絲制備技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)等方面仍需繼續(xù)突破，以更高水平制造碳纖維的同時(shí)，降低能耗和廢品率。只有碳纖維的成本不斷降低，碳纖維復(fù)合材料的使用率才會(huì)提高。
此外，我們還可以從碰撞的角度來思考碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化的應(yīng)用前景。周青認(rèn)為，新材料和新工藝(熱成形鋼、黏接)的另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是如何讓它們的力學(xué)性能表征更精細(xì)，仿真數(shù)據(jù)如何更精確，從而使計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果更加可靠。在碰撞載荷下，我們需要獲取大變形力學(xué)性能、斷裂性能等的表征數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的獲取不能僅憑實(shí)驗(yàn)，而且在CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)時(shí)，必須輸入準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而這本身就是一項(xiàng)較大的挑戰(zhàn)。
舉例來說，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，碳纖維的裂紋是無窮多條的，最終會(huì)碎成粉末。碳纖維復(fù)合材料碰撞變形的吸能模式，是通過自身撞得粉碎來吸收能量，這與鋼、鋁、鎂等材料通過結(jié)構(gòu)大變形吸收能量截然不同。從這點(diǎn)來看，碳纖維復(fù)合材料幾乎可以用于車上所有的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗话l(fā)生大變形時(shí)靠自身的鋼度、大變形時(shí)靠斷裂，當(dāng)然它最大缺點(diǎn)就是成本高。
碳纖維復(fù)合材料的最大挑戰(zhàn)是斷裂表征和預(yù)測(cè)仿真。這是一個(gè)更值得深入的學(xué)術(shù)挑戰(zhàn)。如果在學(xué)術(shù)上無法取得突破，一線工程師只能更多地依賴實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)部件驗(yàn)證，也影響了它的開發(fā)效率。而學(xué)術(shù)研究可以幫助工程師減少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)，從而提高開發(fā)效率。
在輕量化趨勢(shì)中，碳纖維復(fù)合材料可以與金屬材料進(jìn)行一定的復(fù)合。一方面，可以保證材料的強(qiáng)度，并達(dá)到減重的效果，另一方面，可減少碳纖維復(fù)合材料的成本。然而，這個(gè)方向也頗具挑戰(zhàn)性，需要精細(xì)地了解它的設(shè)計(jì)和對(duì)結(jié)構(gòu)變形和承載情況，以及在工藝上需要發(fā)展更多的方法，把兩種不同的材料連接起來。比如，黏接工藝可以把金屬和非金屬材料連接起來。這是一種新技術(shù)，在汽車上已經(jīng)開始應(yīng)用，但并不普遍。
鎂合金應(yīng)因需施材
“由于中國鎂的儲(chǔ)量多，我們更關(guān)注鎂在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。”周青說。
但目前來看，我國汽車采用鎂合金與國際先進(jìn)水平存在很大差距。《中國汽車安全發(fā)展報(bào)告(2017)》指出，北美地區(qū)每輛汽車的鎂合金用量平均為3.5kg，歐洲先進(jìn)水平則能達(dá)到14kg，而國產(chǎn)汽車每輛車的用量僅為1.5kg。
在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的汽車輕量化路線圖中提出到2020年，單車用鎂量達(dá)到15kg。從此目標(biāo)來看，鎂合金的應(yīng)用還有很大空間。
由于鎂合金材料較脆，最大的挑戰(zhàn)仍是斷裂。它在碰撞載荷下會(huì)發(fā)生大變形。周青教授在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鎂合金比鋁合金、高強(qiáng)鋼脆，但沒有碳纖維復(fù)合材料脆。他認(rèn)為，由于鎂合金的這一特性，它不太適合用于大變形的結(jié)構(gòu)，如保險(xiǎn)杠、門檻梁、B柱等。若用鎂合金做車身的承載結(jié)構(gòu)，特別是外部承載結(jié)構(gòu)，它直接接觸碰撞后，會(huì)帶來我們很多的麻煩。
然而，鎂合金可以用于方向盤、座椅骨架、儀表盤的支撐結(jié)構(gòu)等，這些部件在碰撞的時(shí)候，不需要承受大變形的壓力，因而鎂合金在上述部件的應(yīng)用潛力很大。周青認(rèn)為，車輪輪轂可以更多地采用鋁合金，而鎂合金在車輪輪轂的應(yīng)用挑戰(zhàn)較大。這帶給我們的啟示是，把材料的不同特性用在不同部件上，每種材料都能在汽車領(lǐng)域找到合適的應(yīng)用機(jī)會(huì)。